钽金属在口腔种植中的研究进展

2017年8月4日 口腔颌面修复学杂志

    随着医学理论技术的不断发展更新,以及人口老龄化社会来临,加之体育、交通等事故频发导致创伤增加,特别是相关患者对生活水平和生存质量提高的期待,使人工种植需求量越来越大,人类越来越重视医学材料的研究与应用,取得了令人瞩目的成就。在众多的医用材料中,钽作为一种金属生物材料因具有极强的耐腐蚀性、良好生物相容性和特有的结构性质被应用到临床中,取得了良好的效果,医用钽的临床上应用也越来越广泛。

    钽(Tantalum,Ta)的原子序数是73,原子量为180.95,略带显兰色的浅灰色,质地坚硬,硬度为6-6.5莫氏,仅次于金刚石,密度为16.68g/cm3,熔点高达2996℃,固态钽金属的弹性模量高,为186-191GPa,冷加工后钽的抗拉强度为200-300MPa,极具延展性,延伸率在10-25%间,与软骨相近,其抗拉强度高于其他传统多孔材料;其维氏显微硬度240-393MPa,弯曲强度为110MPa,压缩强度和拉伸强度分别是60MPa和63MPa,屈曲强度为10nm,弹性模量约3GPa,介于皮质骨与松质骨之间,与人和牛的松质骨相近,加之其类似于人体松质骨的蜂窝状三维多孔结构,能避免应力遮挡效应,被Zimmer公司称为“骨小梁样金属(porous tantalum trabecular metal,PTTM)”,与传统种植体钛及钛合金相比,多孔钽具有硬度大、弹性模量低、抗剪切力和摩擦系数高、孔隙率高及耐腐蚀性强等特点。

    1.钽的抗腐蚀性

    钽具有优良的稳定性,与人体组织不易发生反应。钽在空气中其表面极易形成一层致密的具有稳定生物惰性的氧化膜Ta2O5,具有优异的耐蚀性,常温下与溴水、氯气、硫酸、盐酸、浓硝酸甚至“王水”等溶剂不发生化学反应,部分无机盐对钽无腐蚀作用;金属钽能在人体复杂液体环境下保持较好的稳定性而不降解,因此也不需二次手术取出。

    2.钽的生物学特性

    钽具有良好的生物相容性,与体液无反应、对机体组织无刺激。研究发现机体清除人体内钽的主要方式是巨噬细胞吞噬反应,实验证明该反应是轻微的,还不足以使吞噬细胞发生变性、坏死或崩解,吞噬细胞与钽尘接触1h后仍存活,无细胞变性,且细胞状态良好。这与在同条件下矽肺患者游离二氧化矽粉尘进入人体内引发的肺泡巨噬细胞导致变性坏死崩解的现象相反,证实钽元素具有优异的细胞相容性,无细胞毒性,关于钽及多孔钽对成骨细胞和间充质干细胞有细胞毒性作用报道较少。钽具有较高表面能及较好的润湿性,植入机体后,生物组织在其表面易生长,并与自然骨有较高的结合性能,故称为“亲生物金属”。

    由多孔钽制成的植入体在提供力学强度的同时可减少应力遮挡,利于应力传导,便于骨骼再生及塑形,具有极佳的生物相容性,能使骨组织和血管等向种植体内生长,利于种植体骨结合以及营养物质、代谢产物的运输,具有优良的骨传导性、促骨再生性、较低的细菌黏附性等优点。多孔钽可对骨组织提供符合生理性应力分布及传导的结构性支持,无应力遮挡,且其蜂窝状立体结构可使骨质快速、牢靠的长入,从而增强骨头坏死区域的再血管化,减少骨移植以及由此带来的相关并发症。

    3.钽在临床应用中的研究进展

    3.1医用钽的基础应用

    钽丝在骨科用于肌腱、筋膜、骨甚至是神经纤维的减张缝合,也可用于口腔内牙齿的固定及骨折时钽丝环扎,徐皓等对33例各种类型髌骨骨折患者采用钽丝环扎内固定治疗,术后跟踪随访5个月至16年不等,结果发现仅2例出现创伤性关节炎,其余31例均无并发症,获得良好疗效;钽丝强度高、拉力大固定牢靠,弹性小韧性好易打结,生物相容性好对人体无毒无害,耐腐蚀无需再次手术取出,钽丝环扎内固定易操作,时间短,创伤小,适应证广,术后可早期活动防止关节僵硬及肌肉萎缩。

    钽网钽片可用于修补、支撑和封闭骨折的裂缝以及肌肉或骨缺损组织,早期效果好。钽支架植入小型猪冠状动脉内观察6个月未见排异现象,能降低亚急性血栓和血管再狭窄概率,且血管再生令人满意。

    3.2多孔钽棒及钽填充材料

    多孔钽棒可用于上下颌骨植入手术,与传统手术相比,多孔钽棒骨科植入手术具有操作简单、手术时间短(平均手术时间36min)、出血量少(平均出血为70ml)、创伤小、术后恢复快、治疗时间短等优点。多孔钽棒对骨头坏死的区域有极好的支撑作用,可避免坏死骨头塌陷,并有对其再血管化的潜能;多孔钽棒植入物能对髓腔进行减压,其蜂窝状结构与生物相容性可对骨诱导和骨细胞生长提供有利条件,其弹性模量与人体腓骨接近,在股骨头内也较少产生应力遮挡和集中;钽填充材料可用于外科手术后组织再造或填充,钟建鑫等建立比格犬牙缺失模型,3个月后于缺牙区建立颌骨缺失模型,同期植入多孔钽颗粒和Bio-oss骨粉,3个月后硬组织切片染色观察发现:多孔钽颗粒组缺损区骨组织较为成熟,包绕了大量的多孔钽颗粒且相互交联呈网状,Bio-oss骨粉颗粒组周围虽然也有较成熟的骨组织包绕,但颗粒之间有大量骨陷窝存在,说明多孔钽颗粒具有良好的诱导成骨能力,其修复颌骨缺损效果优于临床常用的Bio-oss骨粉。多孔钽填充材料能促进细胞增殖并提高成骨细胞的造骨能力,为临床材料应用扩展了思路,增加了选择途径。

    3.3多孔钽人工关节

    多孔钽适宜的弹性模量及摩擦系数有利于提高植入体的初期稳定性,多孔钽比其它多孔材料的摩擦系数要高,相对松质骨和皮质骨,多孔钽的摩擦系数分别是0.88和0.74,比其它方式表面处理材料的摩擦系数高达40-80%,有利于材料植入后的初期稳定性,Hasart等报道对38例PaproskyⅢA、ⅢB型髋臼缺损患者采用多孔钽髋臼增强假体行髋关节重建,术后25个月随访显示所有患者髋关节活动功能均明显增强,平均Poste-Merled,Aubigne骸关节功能评分自术前6分提高至术后13分,平均Harris髋关节评分自29分提高至78分。Unger等对95例108膝行TKA患者采用一体化多孔担胫骨平台假体,4年随访结果提示,一体化多孔担胫骨平台假体用于TKA的成功率高,可避免大范围植骨或者骨移植。多孔钽棒在人工颞下颌关节重建和口腔种植领域将是一个重要的研究方向。

    3.4生物钽涂层

    将金属钽涂层制备于钛及其金合金金属或玻璃碳等基体上,可阻止基体离子的释放,改善其生物相容性,既充分利用了金属钽优异的耐蚀性和生物相容性,又发挥了钛及其合金或玻璃碳等原料相对低廉和易加工的优势,为降低金属钽在医疗领域的应用成本拓宽了思路;钽还可涂覆于一些聚合物组成复合材料表面,采用碱热处理等技术以改善材料在人体内的可视性和生物相容性。多孔钽涂层不仅无细胞毒性,还能促进局部细胞生长和促进间充质干细胞分化,具有十二面体开放型结构,利于成骨细胞前体聚集、增殖和分化以及基质的分泌,促进肉芽组织快速长入及血管生长因子的产生从而有助于内皮新生血管的形成。同时新生成的健康肉芽组织能促进新骨形成,加之弹性模量与天然骨相似,避免局部应力集中和骨吸收发生,因而多孔钽涂层种植体有利于抵抗早期和即刻载荷。Papi等也认为多孔钽涂层结构可促进即刻种植体的早期稳定性。含钽涂层将会成为医用生物材料表面改性的重要研究方向。

    3.5多孔钽合金种植体

    由于资源有限价格昂贵,钽在临床应用受到一定限制,与其他金属形成合金可减少钽的用量而达到同样甚至更好的效果,因而钽合金的应用已成为降低成本和用量的研究热点之一。多孔钽合金种植体主要包括钛钽合金、钛钽锆合金、钛钽铌锆合金等种植体。Kim等将多孔钽加载到钛种植体上,制得组合式牙科种植体,该种植体由三部分组成,包括Ti-6Al-4V柱、Trabecular Metal TM套筒和顶端部分,三者单独制作后再组合而成,钛合金柱的颈部和顶端部分为螺纹状和HA层以增加粗糙度,中段直径略小以容纳多孔钽套筒,最后将顶端部分焊接到钛合金柱上,将该种植体和钛种植体植入犬颌骨内,发现两者的稳定性均良好,骨接触面积无明显统计学差异,但多孔钽内有明显的骨组织长入。

    研发者将钽粉与碳酸氢钠和聚乙烯醇混合造粒后压入有机泡沫体中成型,再经脱脂、烧结、冷却和热处理制得替代牙骨的多孔钽医用植入物,经测试,该方法可使多孔钽材料杂质含量低于0.2%、密度为11.67-13.34g/cm3,孔隙率为20-30%,孔隙直径为5-30μm,弹性模量为4.5-6.0Gpa、抗压强度为100-130Mpa、弯曲强度为110-130Mpa,适用于牙科医用植入材料。学者用含10、20、30%钽的钛钽合金研究其降解行为并与传统种植材料进行比较,结果显示三种钽含量钛合金的降解速率均低于纯钛的(1.8×10-3mm/y),依次为1.4×10-3mm/y、6.3×104mm/y和1.2×10-3mm/y。这说明相对于纯钛,钛钽合金降解速率降低,利于植入后远期稳定。Cimpean用铸造和热机械处理然后再结晶制取了新型钽钛锆合金(Ti-25Ta-5Zr),试验结果发现该合金无细胞毒性、无致敏反应,具有较好的细胞粘附和扩散能力以及细胞增殖性能,同时发现经热机械处理的钽合金能提高其抗腐蚀性和生物相容性。

    钛钽铌锆合金种植体是一种新型双极耐酸种植材料,具有良好的生物相容性和抗腐蚀性,能促进体内种植体-骨早期结合。研究发现钛钽铌锆合金表面易形成含氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)和氧化钽(Ta2O5)成分的稳定氧化层,该氧化层可通过阳极氧化法制备且具有多孔纳米管结构,经扫描电镜-能谱仪,X射线衍射(X-RD)分析和三维表面光度仪分析发现氧化钽具有不规律的多孔结构,与纯多孔钽相比具有较高摩擦性能和表面性能;氧化铌具有规律多孔结构和低摩擦性能,退火之前无生物活性;但这些金属氧化物退火之后均表现出活跃增强的生物活性,提高该合金在种植体中的应用价值。

    随着近年来人们对多孔钽研究的不断深入,已有多项临床试验结果证明医用钽与钛金属相结合而制成的新型牙种植体弥补了其他金属材料在生物相容性、生物活性及种植体-骨性结合等方面所存在的不足。骨小梁金属牙科种植体沿用了目前业内认可度较高的金属钛,突破性地将其与多孔钽相结合,从而一改此前产品在生物相容性差、生物活性不高、骨传导性较低等方面的不足,为新型人工种植体的临床应用提供了一种较其他产品更为理想的选择。多孔钽能满足理想的骨移植材料三要素,即骨传导、骨诱导和骨生成作用,使其在临床种植中的应用将会越来越广泛。

    但由于患者复杂性比如骨质疏松症、糖尿病、放射线骨坏死的患者或者长时间吸烟患者,以及植入机体环境的特异性和动态性比如多菌群的口腔环境,不易制动的关节等等因素,制约着以多孔钽为基础的种植材料的临床应用,如何控制和治疗种植体周围炎是目前研究的热点,其临床应用远期效果还需通过长期的实验来验证。钽金属的临床应用取得了不错的短期临床疗效,但其理论上的优势仍需临床实验证据及长期疗效对比。对与钽相关材料的作用机制以及开发制备简便、成本低廉及性能优异的多孔钽骨植入材料将成为该领域的研究热点,在众多孔钽的制备法中,激光制造方法因其灵活、可控等成为主流手段;多孔钽棒在人工颞下颌关节重建和口腔种植领域也是较重要的研究方向;对人工种植体缓释给药系统的研究,多孔钽人工牙种植体载药有望在促进种植体骨结合、改善骨代谢疾病状态下提高受损的骨愈合能力,多孔钽骨植入材料表面的微孔结构利于负载各种细胞因子或药物,展现其在载药方面的巨大潜力,需在材料学,生物医学和制造业等多方面共同努力下,全面研究,共同努力,随着制备工艺以及临床技术的日趋完善成熟,相信越来越多的金属钽及多孔钽生物材料将会在临床医学中得到更加广泛的应用,为患者谋福。

阅读原文阅读  951 投诉
写留言